摘要:

在多线程编程中,线程安全问题是一个最为关键的问题,其核心概念就在于正确性,即当多个线程访问某一共享、可变数据时,始终都不会导致数据破坏以及其他不该出现的结果。而所有的并发模式在解决这个问题时,采用的方案都是序列化访问临界资源 。在 Java 中,提供了两种方式来实现同步互斥访问:synchronized 和 Lock。本文针对 synchronized 内置锁 详细讨论了其在 Java 并发 中的应用,包括它的具体使用场景(同步方法、同步代码块、实例对象锁 和 Class 对象锁)、可重入性 和 注意事项。

一. 线程安全问题

在单线程中不会出现线程安全问题,而在多线程编程中,有可能会出现同时访问同一个 共享、可变资源 的情况,这种资源可以是:一个变量、一个对象、一个文件等。特别注意两点,

  • 共享: 意味着该资源可以由多个线程同时访问;
  • 可变: 意味着该资源可以在其生命周期内被修改。所以,当多个线程同时访问这种资源的时候,就会存在一个问题:由于每个线程执行的过程是不可控的,所以需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问。

举个 数据脏读 的例子:

//资源类 
class PublicVar { 
 
    public String username = "A"; 
    public String password = "AA"; 
 
    //同步实例方法 
    public synchronized void setValue(String username, String password) { 
        try { 
            this.username = username; 
            Thread.sleep(5000); 
            this.password = password; 
 
            System.out.println("method=setValue " +"\t" + "threadName=" 
                    + Thread.currentThread().getName() + "\t" + "username=" 
                    + username + ", password=" + password); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
 
    //非同步实例方法 
    public void getValue() { 
        System.out.println("method=getValue " + "\t" +  "threadName=" 
                + Thread.currentThread().getName()+ "\t" + " username=" + username 
                + ", password=" + password); 
    } 
} 
 
//线程类 
class ThreadA extends Thread { 
 
    private PublicVar publicVar; 
 
    public ThreadA(PublicVar publicVar) { 
        super(); 
        this.publicVar = publicVar; 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        super.run(); 
        publicVar.setValue("B", "BB"); 
    } 
} 
 
//测试类 
public class Test { 
 
    public static void main(String[] args) { 
        try { 
            //临界资源 
            PublicVar publicVarRef = new PublicVar(); 
 
            //创建并启动线程 
            ThreadA thread = new ThreadA(publicVarRef); 
            thread.start(); 
 
            Thread.sleep(200);// 打印结果受此值大小影响 
 
            //在主线程中调用 
            publicVarRef.getValue(); 
 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}/* Output ( 数据交叉 ):  
        method=getValue     threadName=main         username=B, password=AA 
        method=setValue     threadName=Thread-0     username=B, password=BB 
 *///:~

由程序输出可知,虽然在写操作进行了同步,但在读操作上仍然有可能出现一些意想不到的情况,例如上面所示的 脏读。发生 脏读 的情况是在执行读操作时,相应的数据已被其他线程 部分修改 过,导致 数据交叉 的现象产生。

这其实就是一个线程安全问题,即多个线程同时访问一个资源时,会导致程序运行结果并不是想看到的结果。这里面,这个资源被称为:临界资源。也就是说,当多个线程同时访问临界资源(一个对象,对象中的属性,一个文件,一个数据库等)时,就可能会产生线程安全问题。

不过,当多个线程执行一个方法时,该方法内部的局部变量并不是临界资源,因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中,因此不具有共享性,不会导致线程安全问题。

二. 如何解决线程安全问题

实际上,所有的并发模式在解决线程安全问题时,采用的方案都是 序列化访问临界资源 。即在同一时刻,只能有一个线程访问临界资源,也称作 同步互斥访问。换句话说,就是在访问临界资源的代码前面加上一个锁,当访问完临界资源后释放锁,让其他线程继续访问。

在 Java 中,提供了两种方式来实现同步互斥访问:synchronized 和 Lock。本文主要讲述 synchronized 的使用方法,Lock 的使用方法我的另一篇博文《Java 并发:Lock 框架详解》中阐述。

三. synchronized 同步方法或者同步块

在了解 synchronized 关键字的使用方法之前,我们先来看一个概念:互斥锁,即 能到达到互斥访问目的的锁。举个简单的例子,如果对临界资源加上互斥锁,当一个线程在访问该临界资源时,其他线程便只能等待。

在 Java 中,可以使用 synchronized 关键字来标记一个方法或者代码块,当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时,这个线程便获得了该对象的锁,其他线程暂时无法访问这个方法,只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕,这个线程才会释放该对象的锁,其他线程才能执行这个方法或者代码块。

下面这段代码中两个线程分别调用insertData对象插入数据:

1) synchronized方法

public class Test { 
 
    public static void main(String[] args)  { 
        final InsertData insertData = new InsertData(); 
        // 启动线程 1   
        new Thread() { 
            public void run() { 
                insertData.insert(Thread.currentThread()); 
            }; 
        }.start(); 
 
        // 启动线程 2 
        new Thread() { 
            public void run() { 
                insertData.insert(Thread.currentThread()); 
            }; 
        }.start(); 
    }   
} 
 
class InsertData { 
 
    // 共享、可变资源 
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); 
 
    //对共享可变资源的访问 
    public void insert(Thread thread){ 
        for(int i=0;i<5;i++){ 
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i); 
            arrayList.add(i); 
        } 
    } 
}/* Output:  
        Thread-0在插入数据0 
        Thread-1在插入数据0 
        Thread-0在插入数据1 
        Thread-0在插入数据2 
        Thread-1在插入数据1 
        Thread-1在插入数据2 
 *///:~

根据运行结果就可以看出,这两个线程在同时执行insert()方法。而如果在insert()方法前面加上关键字synchronized 的话,运行结果为:

class InsertData { 
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); 
 
    public synchronized void insert(Thread thread){ 
        for(int i=0;i<5;i++){ 
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i); 
            arrayList.add(i); 
        } 
    } 
}/* Output:  
        Thread-0在插入数据0 
        Thread-0在插入数据1 
        Thread-0在插入数据2 
        Thread-1在插入数据0 
        Thread-1在插入数据1 
        Thread-1在插入数据2 
 *///:~

从以上输出结果可以看出,Thread-1 插入数据是等 Thread-0 插入完数据之后才进行的。说明 Thread-0 和 Thread-1 是顺序执行 insert() 方法的。这就是 synchronized 关键字对方法的作用。

不过需要注意以下三点:

1)当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法,那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法。这个原因很简单,因为一个对象只有一把锁,当一个线程获取了该对象的锁之后,其他线程无法获取该对象的锁,所以无法访问该对象的其他synchronized方法。

2)当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法,那么其他线程能访问该对象的非 synchronized 方法。这个原因很简单,访问非 synchronized 方法不需要获得该对象的锁,假如一个方法没用 synchronized 关键字修饰,说明它不会使用到临界资源,那么其他线程是可以访问这个方法的,

3)如果一个线程 A 需要访问对象 object1 的 synchronized 方法 fun1,另外一个线程 B 需要访问对象 object2 的 synchronized 方法 fun1,即使 object1 和 object2 是同一类型),也不会产生线程安全问题,因为他们访问的是不同的对象,所以不存在互斥问题。

2) synchronized 同步块

synchronized 代码块类似于以下这种形式:

synchronized (lock){ 
    //访问共享可变资源 
    ... 
}

当在某个线程中执行这段代码块,该线程会获取对象lock的锁,从而使得其他线程无法同时访问该代码块。其中,lock 可以是 this,代表获取当前对象的锁,也可以是类中的一个属性,代表获取该属性的锁。特别地, 实例同步方法 与 synchronized(this)同步块 是互斥的,因为它们锁的是同一个对象。但与 synchronized(非this)同步块 是异步的,因为它们锁的是不同对象。

比如上面的insert()方法可以改成以下两种形式:

// this 监视器 
class InsertData { 
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); 
 
    public void insert(Thread thread){ 
        synchronized (this) { 
            for(int i=0;i<100;i++){ 
                System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i); 
                arrayList.add(i); 
            } 
        } 
    } 
} 
 
// 对象监视器 
class InsertData { 
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); 
    private Object object = new Object(); 
 
    public void insert(Thread thread){ 
        synchronized (object) { 
            for(int i=0;i<100;i++){ 
                System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i); 
                arrayList.add(i); 
            } 
        } 
    } 
}

从上面代码可以看出,synchronized代码块 比 synchronized方法 的粒度更细一些,使用起来也灵活得多。因为也许一个方法中只有一部分代码只需要同步,如果此时对整个方法用synchronized进行同步,会影响程序执行效率。而使用synchronized代码块就可以避免这个问题,synchronized代码块可以实现只对需要同步的地方进行同步。

3) class 对象锁

特别地,每个类也会有一个锁,静态的 synchronized方法 就是以Class对象作为锁。另外,它可以用来控制对 static 数据成员 (static 数据成员不专属于任何一个对象,是类成员) 的并发访问。并且,如果一个线程执行一个对象的非static synchronized 方法,另外一个线程需要执行这个对象所属类的 static synchronized 方法,也不会发生互斥现象。因为访问 static synchronized 方法占用的是类锁,而访问非 static synchronized 方法占用的是对象锁,所以不存在互斥现象。例如,

public class Test { 
 
    public static void main(String[] args)  { 
        final InsertData insertData = new InsertData(); 
        new Thread(){ 
            @Override 
            public void run() { 
                insertData.insert(); 
            } 
        }.start();  
        new Thread(){ 
            @Override 
            public void run() { 
                insertData.insert1(); 
            } 
        }.start(); 
    }   
} 
 
class InsertData {  
 
    // 非 static synchronized 方法 
    public synchronized void insert(){ 
        System.out.println("执行insert"); 
        try { 
            Thread.sleep(5000); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
        System.out.println("执行insert完毕"); 
    } 
 
    // static synchronized 方法 
    public synchronized static void insert1() { 
        System.out.println("执行insert1"); 
        System.out.println("执行insert1完毕"); 
    } 
}/* Output:  
        执行insert 
        执行insert1 
        执行insert1完毕 
        执行insert完毕 
 *///:~

根据执行结果,我们可以看到第一个线程里面执行的是insert方法,不会导致第二个线程执行insert1方法发生阻塞现象。下面,我们看一下 synchronized 关键字到底做了什么事情,我们来反编译它的字节码看一下,下面这段代码反编译后的字节码为:

public class InsertData { 
    private Object object = new Object(); 
 
    public void insert(Thread thread){ 
        synchronized (object) {} 
    } 
 
    public synchronized void insert1(Thread thread){} 
 
    public void insert2(Thread thread){} 
}

192052201909119.jpg-81.2kB

从反编译获得的字节码可以看出,synchronized 代码块实际上多了 monitorenter 和 monitorexit 两条指令。 monitorenter指令执行时会让对象的锁计数加1,而monitorexit指令执行时会让对象的锁计数减1,其实这个与操作系统里面的PV操作很像,操作系统里面的PV操作就是用来控制多个进程对临界资源的访问。对于synchronized方法,执行中的线程识别该方法的 method_info 结构是否有 ACC_SYNCHRONIZED 标记设置,然后它自动获取对象的锁,调用方法,最后释放锁。如果有异常发生,线程自动释放锁。

有一点要注意:对于 synchronized方法 或者 synchronized代码块,当出现异常时,JVM会自动释放当前线程占用的锁,因此不会由于异常导致出现死锁现象。

四. 可重入性

一般地,当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时,发出请求的线程就会阻塞。然而,由于 Java 的内置锁是可重入的,因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁时,那么这个请求就会成功。可重入锁最大的作用是避免死锁。例如:

public class Test implements Runnable { 
 
    // 可重入锁测试 
    public synchronized void get() { 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
        set(); 
    } 
 
    public synchronized void set() { 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        get(); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        Test test = new Test(); 
        new Thread(test,"Thread-0").start(); 
        new Thread(test,"Thread-1").start(); 
        new Thread(test,"Thread-2").start(); 
    } 
}/* Output:  
        Thread-1 
        Thread-1 
        Thread-2 
        Thread-2 
        Thread-0 
        Thread-0 
 *///:~

五. 注意事项

1). 内置锁与字符串常量

由于字符串常量池的原因,在大多数情况下,同步synchronized代码块 都不使用 String 作为锁对象,而改用其他,比如 new Object() 实例化一个 Object 对象,因为它并不会被放入缓存中。看下面的例子:

//资源类 
class Service { 
    public void print(String stringParam) { 
        try { 
            synchronized (stringParam) { 
                while (true) { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
                    Thread.sleep(1000); 
                } 
            } 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
} 
 
//线程A 
class ThreadA extends Thread { 
    private Service service; 
 
    public ThreadA(Service service) { 
        super(); 
        this.service = service; 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        service.print("AA"); 
    } 
} 
 
//线程B 
class ThreadB extends Thread { 
    private Service service; 
 
    public ThreadB(Service service) { 
        super(); 
        this.service = service; 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        service.print("AA"); 
    } 
} 
 
//测试 
public class Run { 
    public static void main(String[] args) { 
 
        //临界资源 
        Service service = new Service(); 
 
        //创建并启动线程A 
        ThreadA a = new ThreadA(service); 
        a.setName("A"); 
        a.start(); 
 
        //创建并启动线程B 
        ThreadB b = new ThreadB(service); 
        b.setName("B"); 
        b.start(); 
 
    } 
}/* Output (死锁):  
        A 
        A 
        A 
        A 
        ... 
 *///:~

出现上述结果就是因为 String 类型的参数都是 “AA”,两个线程持有相同的锁,所以 线程B 始终得不到执行,造成死锁。进一步地,所谓死锁是指:

不同的线程都在等待根本不可能被释放的锁,从而导致所有的任务都无法继续完成。

b). 锁的是对象而非引用

在将任何数据类型作为同步锁时,需要注意的是,是否有多个线程将同时去竞争该锁对象:

1).若它们将同时竞争同一把锁,则这些线程之间就是同步的;
2).否则,这些线程之间就是异步的。

看下面的例子:

//资源类 
class MyService { 
    private String lock = "123"; 
 
    public void testMethod() { 
        try { 
            synchronized (lock) { 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin " 
                        + System.currentTimeMillis()); 
                lock = "456"; 
                Thread.sleep(2000); 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   end " 
                        + System.currentTimeMillis()); 
            } 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
} 
 
//线程B 
class ThreadB extends Thread { 
 
    private MyService service; 
 
    public ThreadB(MyService service) { 
        super(); 
        this.service = service; 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        service.testMethod(); 
    } 
} 
 
//线程A 
class ThreadA extends Thread { 
 
    private MyService service; 
 
    public ThreadA(MyService service) { 
        super(); 
        this.service = service; 
    } 
 
    @Override 
    public void run() { 
        service.testMethod(); 
    } 
} 
 
//测试 
public class Run1 { 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
 
        //临界资源 
        MyService service = new MyService(); 
 
        //线程A 
        ThreadA a = new ThreadA(service); 
        a.setName("A"); 
 
        //线程B 
        ThreadB b = new ThreadB(service); 
        b.setName("B"); 
 
        a.start(); 
        Thread.sleep(50);// 存在50毫秒 
        b.start(); 
    } 
}/* Output(循环):  
       A begin 1484319778766 
       B begin 1484319778815 
       A   end 1484319780766 
       B   end 1484319780815 
 *///:~

由上述结果可知,线程 A、B 是异步的。因为50毫秒过后, 线程B 取得的锁对象是 “456”,而 线程A 依然持有的锁对象是 “123”。所以,这两个线程是异步的。若将上述语句 “Thread.sleep(50);” 注释,则有:

//测试 
public class Run1 { 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
 
        //临界资源 
        MyService service = new MyService(); 
 
        //线程A 
        ThreadA a = new ThreadA(service); 
        a.setName("A"); 
 
        //线程B 
        ThreadB b = new ThreadB(service); 
        b.setName("B"); 
 
        a.start(); 
        // Thread.sleep(50);// 存在50毫秒 
        b.start(); 
    } 
}/* Output(循环):  
       B begin 1484319952017 
       B   end 1484319954018 
       A begin 1484319954018 
       A   end 1484319956019 
 *///:~

由上述结果可知,线程 A、B 是同步的。因为线程 A、B 竞争的是同一个锁“123”,虽然先获得运行的线程将 lock 指向了 对象“456”,但结果还是同步的。因为线程 A 和 B 共同争抢的锁对象是“123”,也就是说,锁的是对象而非引用。

六. 总结

用一句话来说,synchronized 内置锁 是一种 对象锁 (锁的是对象而非引用), 作用粒度是对象 ,可以用来实现对 临界资源的同步互斥访问 ,是 可重入 的。特别地,对于 临界资源 有:

  • 若该资源是静态的,即被 static 关键字修饰,那么访问它的方法必须是同步且是静态的,synchronized 块必须是 class锁;
  • 若该资源是非静态的,即没有被 static 关键字修饰,那么访问它的方法必须是同步的,synchronized 块是实例对象锁;

实质上,关键字synchronized 主要包含两个特征:

  • 互斥性:保证在同一时刻,只有一个线程可以执行某一个方法或某一个代码块;
  • 可见性:保证线程工作内存中的变量与公共内存中的变量同步,使多线程读取共享变量时可以获得最新值的使用。
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